ВОДА КАК АККУМУЛЯТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ - TECHNICAL SCIENCES
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
80 TECHNICAL SCIENCES
УДК 624.139
ВОДА КАК АККУМУЛЯТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Кузьмин Г.П., Куваев В.А.
Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, Якутск, e-mail: kuzmin mpi.ysn.ru
Отмечается возможность использования солнечной тепловой энергии на основе фазовых переходов воды
для отопления некоторых видов помещений в холодное время года. Использование воды в качестве аккумуля-
тора солнечного тепла является одним из безопасных для окружающей среды альтернативных возобновляе-
мых источников получения энергии. Этот способ использования солнечного тепла пригоден на большей части
территории России. Применение технологии ограничено лишь в некоторых районах Крайнего Севера из-за
малой эффективности вследствие низких температур наружного воздуха и малой продолжительности летнего
периода. Технология испытана в зимнее время на физической модели и опытном помещении в климатических
условиях г. Якутска, характеризующихся низкими температурами и большой продолжительностью зимнего
периода. Приводится описание устройства опытного помещения и водяного аккумулятора солнечного тепла.
Опытное помещение представляет стояночный гараж. Водяной аккумулятор состоит из металлических резер-
вуаров с водой, при замерзании которой в зимнее время выделяется тепло, а при плавлении льда в летнее время
происходит аккумулирование солнечного тепла. Приводятся зависимости для определения расчетных параме-
тров и потерь тепла через ограждающие конструкции и полы помещения, через открывающиеся ворота для
выезда и въезда автомобиля, на нагрев охлажденного автомобиля. Излагаются результаты испытания в зимнее
время опытного гаража, оборудованного водяным аккумулятором солнечного тепла.
Ключевые слова: вода, теплота фазовых переходов, солнечное тепло, аккумулирование, теплопередача,
потери тепла
WATER AS A SOLAR ENERGY BATTERY
Kuzmin G.P., Kuvaev V.A.
Melnikov Permafrost Institute SB RAS, Yakutsk, e-mail: kuzmin@mpi.ysn.ru
The possibility of using solar thermal energy based on phase transitions of water for heating certain types of
premises in the cold season is noted. Using water as an accumulator of solar heat is one of the environmentally
friendly alternative renewable sources of energy. This method of using solar heat is suitable in most of the
territory of Russia. The use of technology is limited only in the Far North due to low efficiency due to low outside
temperatures and the short duration of the summer period. The technology was tested in winter on a physical model
and experimental room in the climatic conditions of Yakutsk, characterized by low temperatures and a long winter
period. The description of the device of the experimental room and the solar water heat accumulator is given. The
experimental building is a parking garage. A water battery consists of metal tanks with water, which freezes during
the winter when it freezes, and when the ice melts in the summer, solar heat accumulates. Dependencies are given
for determining the design parameters and heat loss through the building envelopes and floors of the room, through
the opening gates for leaving and entering the car, for heating a cooled car. The winter test results of an experimental
garage equipped with a solar water heat accumulator are presented.
Keywords: water, heat of phase transitions, solar heat, storage, heat transfer, heat loss
В настоящее время опубликовано боль- плавление и кристаллизация которых про-
шое количество работ, посвященных раз- исходит при температурах 30–50 °С. К та-
личным вопросам аккумулирования и ис- ким веществам относятся хлорид кальция
пользования тепловой энергии. В работе [1] (CaCl2·6H2O) и сульфат натрия (глауберова
изложены основные принципы аккумули- соль). Количество теплоты фазового пере-
рования тепла и использования теплоак- хода хлорида кальция приближается к ко-
кумулирующих материалов. Существуют личеству теплоты фазового перехода воды.
различные вещества, при кристаллизации При использовании указанных веществ для
которых при определенной постоянной аккумулирования скрытой теплоты фазо-
температуре выделяется значительное ко- вых переходов требуется принимать меры
личество так называемой скрытой теплоты безопасности. Кроме того, для некоторых
фазовых переходов [2]. Эти вещества могут видов сооружений высокие отрицательные
применяться для аккумулирования солнеч- температуры являются оптимальными или
ного тепла. Большое количество тепла вы- допускаются в качестве рабочих. К таким
деляется при кристаллизации воды, которая сооружениям можно отнести ледовые кат-
как аккумулятор тепловой солнечной энер- ки, стояночные гаражи, ангары, прогулоч-
гии может найти применение для отопле- ные и спортивные помещения при детских
ния закрытых помещений до высоких отри- учреждениях, круглогодичные хранилища
цательных температур, близких к 0 °С [3]. некоторых видов овощей, сезонные хра-
При аккумулировании скрытой теплоты нилища овощей, хранилища ряда веществ
для систем отопления подбирают вещества, и материалов и т.д. Применение в таких со-
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED
AND FUNDAMENTAL RESEARCH № 9, 2019 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 81
оружениях водяных аккумуляторов солнеч- конструкций и технологическими особен-
ной энергии (ВАСЭ) является эффективным ностями помещения.
и безопасным способом использования воз- Климатические условия г. Якутска за
обновляемой энергии Солнца. Непрерывная последние 5 лет характеризуются следу-
циклическая работа ВАСЭ возможна в та- ющим [4]. Среднее значение температуры
ких климатических условиях, при которых воздуха в зимнее время равно минус 22.0 °С,
в летнее время обеспечивается полное тая- в летнее время 13,4 °С. Средняя продолжи-
ние образовавшегося в аккумуляторах льда. тельность периодов с отрицательной и по-
На территории России применение водяных ложительной температурами воздуха равны
аккумуляторов солнечного тепла ограниче- соответственно 4964 и 3796 ч. Средняя ско-
но только в некоторых районах на Крайнем рость ветра, от величины которой зависит
Севере из-за низких значений положитель- теплообмен наружной поверхности ограж-
ных градусо-часов наружного воздуха, сни- дающих конструкций помещения с окру-
жающих эффективность такого способа по- жающим воздухом, равна в зимнее время
лучения возобновляемой энергии. 1,9, в летнее время 3,0 м/с. Низкие зимние
Технология использования теплоты температуры воздуха в течение длительного
фазовых переходов воды для обогрева по- времени приводят к большим потерям теп-
мещений испытана на физической модели ла из помещения. В летнее время суммар-
и на опытном гараже в холодное время года ный приток тепла в помещение ограничен
в суровых климатических условиях Цен- вследствие невысоких температур воздуха
тральной Якутии в г. Якутске. и относительно небольшой продолжитель-
Цель исследований заключалась в оцен- ности теплого периода. Однако в летнее
ке возможности практической реализации время более высокая скорость ветра, чем
технологии использования солнечного зимой, способствует теплоотдаче воздуха
тепла на основе фазовых переходов (ТФП) к поверхности ограждающих конструкций
воды для управления температурным ре- помещения.
жимом закрытых помещений и получения Опытное помещение представляет со-
данных для разработки методики тепло- бой стояночный гараж шириной 9,0, длиной
технического расчета. При испытании во- 12,0 и высотой 3,5 м и толщиной стены око-
дяных аккумуляторов солнечной энергии ло 0,31 м. Общая площадь ограждающих
в качестве обогревательного устройства конструкций помещения, соприкасающих-
закрытых помещений необходимо по- ся с наружным воздухом, составляет 255 м2.
следовательно решать задачи, связанные Площадь пола равна 93,8 м2. Гараж постро-
с разрядкой и зарядкой их. В статье дана ен из металлического каркаса. Перекрытие
характеристика климатических условий и стены утеплены полистиролом толщиной
места проведения эксперимента, изложено 30 см и коэффициентом теплопроводности
описание устройства опытного помещения 0,452 Вт/м2К, пенофолом толщиной 8 мм
и водяного аккумулятора солнечной энер- и коэффициентом теплопроводности 0,383
гии, приведены зависимости для определе- Вт/м2К. Стены и кровля покрыты профили-
ния расчетных параметров и потерь тепла, рованным металлическим листом. Пол по-
представлены основные результаты испы- крыт полистиролом толщиной 10 см и залит
тания опытного помещения в режиме раз- бетоном толщиной 20 см. Грунты основания
рядки водяного аккумулятора в холодное представлены до глубины 0,3 м суглинка-
время года. ми, ниже до исследованной глубины 10 м –
Результаты первого этапа испытания мелкозернистыми песками. Среднегодовая
водяного аккумулятора солнечной энергии температура грунтов равна минус 2,0 °С.
в качестве обогревательного устройства по- Ворота шириной 3,0 и высотой 2,8 м из-
казали реальную возможность применения готовлены так же, как и стены. Внутри по-
предложенного экономически эффективно- мещения установлены водяные аккумуля-
го и безопасного для окружающей среды торы солнечной энергии, представляющие
способа использования возобновляемой собой металлические резервуары с водой,
солнечной энергии. изготовленные из листовой стали толщиной
3,0 мм. Для уменьшения давления льда на
Устройство и теплообмен опытного стенки резервуаров, возникающего вслед-
помещения с окружающей средой ствие увеличения объема воды при ее за-
Необходимое количество аккумулируе- мерзании, они выполнены наклонными.
мого тепла в ВАСЭ определяется потерями Высота резервуаров равна 1,8 м, ширина
тепла из помещения в зимнее время, вели- их принята равной по низу 1,5 м, по верху
чины которых обусловлены климатически- 1,6 м. Суммарная длина восьми резервуаров
ми условиями, размерами помещения, тер- равна 22,0 м. Резервуары заполнены водой
мическим сопротивлением ограждающих объемом 44,3 м3 до высоты 1,3 м.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНЫХ
И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ № 9, 201982 TECHNICAL SCIENCES
Общее количество потерь тепла из Для определения R площадь пола при
опытного объекта в холодное время года отсутствии заглубления здания в грунт раз-
можно представить в виде суммы бивается на 3 зоны [4]. Зона 1 представля-
ет полосу шириной b1 = 2 м, отмеренную
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4, (1) от внутренней поверхности стены. Зона 2
где Q1, Q2, Q3 и Q4 – потери тепла соответ- шириной также b1 = 2 м располагается за
ственно через ограждающие конструкции зоной 1. Зона 3 занимает всю оставшуюся
помещения в атмосферу; через пол помеще- часть площади пола.
ния в грунты основания; через ворота при Среднее значение сопротивления тепло-
выезде и въезде автомобиля; на нагрев ох- передаче пола определяется по формуле
лажденного автомобиля.
Расчеты потерь тепла из зданий в окру- R S + R2 S 2 + R3 S3 (5)
R= 1 1 ,
жающую среду изложены в различных нор- S1 + S 2 + S3
мативных документах и статьях. Наиболее
подробно они представлены в работе [5]. где R1 = 4,3; R2 = 8,6; , а пло-
Потери тепла через ограждающие кон-
струкции определяются по известной фор- щадь зон S1 = 2b1[(l – 2bc) + (b – 2bc – 2b1]);
муле теплопередачи через плоскую стенку S2 = 2b1[(l – 2bc – 2b1) + (b – 2bc – 4b1]);
S3 = (l – 2bc – 4b1)(b – 2bc – 4b1), м2; l – длина
Q1 = k1S1(t2 – t1)(τ – τ0), (2) помещения; b – ширина помещения; bc – тол-
где k1 – коэффициент теплопередачи через щина стены; b1 = 2 м – ширина зон SI и SII.
многослойную плоскую стенку; S1 – пло- Потери тепла через открытые ворота
щадь наружной поверхности ограждаю- приближенно можно найти по формуле
щих конструкций помещения; t1 – средняя Q3 = (t2 – tв)τ0(kбSб + mkTST), (6)
за зиму температура внутри помещения;
t2 – средняя за зиму температура наружного где tв = 0 – температура воды в резервуарах;
воздуха; τ – продолжительность периода от- kб и kT – коэффициенты теплопередачи через
рицательных температур наружного возду- цилиндрическую и плоскую ледяные стен-
ха; τ0 – суммарное за зиму время открытого ки; Sб = πd2l и ST = 2nπd 22 / 4 – суммарные
состояния ворот помещения. площади боковой и торцевой частей эквива-
Коэффициент теплопередачи через лентных прямоугольным цилиндрических
ограждающую конструкцию помещения резервуаров в количестве n; m – коэффици-
ент учета теплопередачи через торцы резер-
1 вуаров.
k1 = , (3)
1 δ 1 Коэффициенты теплопередачи опреде-
+∑ i + ляются известными формулами
α1 λi α2
где α1 = 5,6 + 3,9v12 – коэффициент тепло- (7)
отдачи внутренней поверхности огражда-
ющей конструкции; v1 – средняя скорость
движения воздуха вдоль внутренней по-
верхности ограждающей конструкции; (8)
α 2 = 5,6 + 3,9v22 – коэффициент теплоот-
дачи наружной поверхности ограждающей
конструкции; v2 – средняя за зиму скорость где d1 и d2 – средние за зиму внутренний
ветра; δi – толщина i-го слоя ограждающей и внешний диаметры эквивалентного ци-
конструкции; λi – коэффициент теплопрово- линдрического ледяного тела; αв и α1 – ко-
дности i-го слоя ограждающей конструкции. эффициенты теплоотдачи от воды к цилин-
Потери тепла через пол помещения при- дрической внутренней поверхности льда
ближенно можно оценить по формуле и от внешней поверхности льда к воздуху
Q2 = S2(t1 – tгр)(τ – τ0/)/R, (4) помещения; λл – коэффициент теплопрово-
дности льда.
где S2 – площадь пола; R – среднее значение Потери тепла на нагрев охлажденного
термического сопротивления пола. автомобиля [5]
(9)
где G, gд и gс – масса соответственно всего автомобиля, двигателя и салона; С1 и С2 – сред-
няя удельная теплоемкость корпуса автомобиля и средняя удельная теплоемкость матери-
алов салона; tд и tс – средняя за зиму температура нагретого двигателя и салона; na – число
открываний ворот за зиму.
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED
AND FUNDAMENTAL RESEARCH № 9, 2019 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 83
Температурные кривые в период эксперимента 2018–2019 гг: 1 – наружного воздуха, измеренные;
2 – наружного воздуха по данным [3]; 3 – воздуха в помещении; 4 – среднезимняя наружного воздуха
Необходимое количество воды опреде- го воздуха в период 2018–2019 гг. составила
ляется из равенства минус 42,0 °С.
Кривая 2 среднемесячных температур
Q = QфV, (10) наружного воздуха, построенная по дан-
где Qф – объемная теплота фазового перехо- ным [4], в основном соответствует измерен-
да воды, равная 335,2·103 кДж/м3; V – общее ным значениям ее в период 2018–2019 гг.
количество воды в резервуарах. Температура воздуха в гараже в течение
зимы постепенно понижалась почти ли-
Основные результаты испытания нейно и в среднем составила минус 4,0 °С.
опытного помещения и их обсуждение Такой характер изменения температуры
Проведено испытание опытного поме- в гараже, несмотря на повышение темпе-
щения в зимнее время, т.е. на этапе разрядки ратуры наружного воздуха во второй поло-
водяного аккумулятора тепловой солнечной вине зимы, вызван, очевидно, уменьшени-
энергии. Потери тепла из опытного гаража ем величины площади теплообмена воды
на этом этапе включают теплопередачу че- в резервуарах с поверхностью льда. Резкие
рез стены и перекрытие в атмосферу, через колебания температуры наружного воздуха
пол в грунты основания, отток тепла через почти не оказывали влияния на температу-
открывающиеся ворота для выезда и въез- ру внутри гаража. На кривой температуры
да автомобиля, затраты тепла на нагрев ох- воздуха в помещении видны импульсные
лажденного автомобиля. Выхлопные газы ее понижения, вызванные поступлением
при подогреве двигателя автомобиля отво- холодного воздуха в гараж при открыва-
дились через шланг, пропущенный через нии ворот для выезда и въезда автомобиля.
отверстие в стене гаража. В процессе ис- Следует отметить, что в некоторых случа-
пытания объекта проводились наблюдения ях открывание ворот происходило во время
за температурой наружного воздуха, темпе- отключенного состояния датчиков темпе-
ратурой воздуха в гараже и температурой ратуры воздуха в помещении и, вследствие
грунтов его основания. Измерения темпера- этого, всплески температуры в это время не
туры воздуха снаружи и внутри помещения отражены на графике 3.
проводились с интервалом 1 ч. Результаты Результаты первого этапа испытаний
этих измерений графически представлены опытного помещения показывают техниче-
на рисунке. Температура наружного воз- скую возможность эффективного использо-
духа 1 имеет минимум в середине января вания аккумулированной в воде тепловой
и характеризуется резкими колебаниями, солнечной энергии для отопления некото-
особенно во второй половине зимы. Мини- рых видов помещений в суровых клима-
мальная замеренная температура наружно- тических условиях. Выявлены некоторые
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНЫХ
И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ № 9, 201984 TECHNICAL SCIENCES
конструктивные недостатки в устройстве в качестве системы отопления до высоких
аккумуляторов тепла. Увеличение объема отрицательных температур. Проведены ре-
воды при ее замерзании вызвало поврежде- зультаты испытания опытного гаража, обо-
ния некоторых резервуаров – вздутие дна, греваемого теплотой фазового перехода
вырыв листового металла в местах сварных воды, в климатических условиях г. Якутска.
стяжных уголков к внутренним поверхно- Результаты испытания показали эффектив-
стям боковых стенок резервуаров. Конструк- ность применения способа даже в очень
тивное выполнение резервуаров оказалось суровых климатических условиях и необ-
неудовлетворительным – недостаточная тол- ходимость решения технических задач обе-
щина стенок, небольшой угол наклона сте- спечения прочности резервуаров для воды.
нок резервуаров, недопустимое устройство
стяжек внутри резервуаров. Список литературы
Фактическое значение потерь тепла из 1. Бабаев Б.Д. Принципы теплового аккумулирования
опытного помещения, равное количеству и используемые теплоаккумулирующие материалы // ТВТ.
теплоты фазового перехода залитой в акку- 2014. Т. 52. Вып. 5. С. 760–776.
муляторы воды, составляет 14849360 кДж. 2. Бараненко А.В., Кузнецов Л.А., Захарова В.Ю.,
Приведенные зависимости потерь тепла Цой А.П. Применение веществ с фазовыми переходами для
аккумулирования тепловой энергии // Научно-технический
из помещения и результаты выполненных вестник информационных технологий, механики и оптики.
и предстоящих испытаний опытного по- 2018. Т. 18. № 6. С. 900–1000.
мещения позволят разработать методику 3. Кузьмин Г.П. Новые технологии использования
теплотехнического расчета закрытых поме- теплоты фазовых переходов воды. Международный жур-
щений, оборудованных системой солнечно- нал прикладных и фундаментальных исследований. 2017.
№ 5–2. С. 217–221.
го отопления.
4. Архив погоды в Якутске. Интернет-ресурсы. [Элек-
Заключение тронный ресурс]. URL: https://rp5.ru/ %D0 %90 %D1 %80 %D
1 %85 %D0 %B8 %D0 %B2_ %D0 %BF %D0 %BE %D0 %B3 %
На основании проведенных исследова- D0 %BE %D0 %B4 %D1 %8B_ %D0 %B2_ %D0 %AF %D0 %
BA %D1 %83 %D1 %82 %D1 %81 %D0 %BA %D0 %B5 (дата
ний подготовлены основы для разработки обращения: 27.06.2019).
методики теплотехнического расчета за- 5. Малявина Е.Г. Теплопотери здания: справочное по-
крытых помещений, оборудованных во- собие. 2011. 152 с. [Электронный ресурс]. URL: https//rucont.
дяным аккумулятором солнечного тепла ru/efd/270994 (дата обращения: 27.06.2019).
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED
AND FUNDAMENTAL RESEARCH № 9, 2019Вы также можете почитать
